不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子質量及其構象

張攀峰，陳 玲，李曉璽*，李 琳，劉國琴，蘇健裕

不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子質量及其構象

張攀峰，陳 玲，李曉璽*，李 琳，劉國琴，蘇健裕

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640)

采用凝膠滲透色譜(GPC)和十八角度激光光散射(MALLS)技術，以二甲基亞砜為流動相測定蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉、直鏈/支鏈比1:1的高直鏈玉米淀粉(G50)、直鏈/支鏈比4:1的高直鏈玉米淀粉(G80)的分子質量及其分布以及在二甲基亞砜(DMSO)溶液中的均方根旋轉半徑和構象。結果表明：分子質量最大的是蠟質玉米淀粉，其重均分子質量達到了1.416×108g/mol，其次是普通玉米淀粉2.744 ×107g/mol與G50 1.026×107g/mol，最小的是G80的3.992×106g/mol；均方根旋轉半徑也是隨著直鏈淀粉含量的增加依次減小；蠟質玉米淀粉在DMSO溶液中的構象是較為緊密的無規(guī)則卷曲型，其他3種玉米淀粉的構象均為球型。

玉米淀粉；凝膠滲透色譜；激光光散射；分子質量分布；分子構象

玉米淀粉是一種重要的工業(yè)原料，在食品、化工、醫(yī)藥、生物功能材料、降解塑料等領域都有著廣泛的應用[1]。玉米淀粉中直鏈淀粉含量不同，淀粉的性質也不同。直鏈淀粉含量超過40%的稱為高直鏈玉米淀粉。高直鏈玉米淀粉具有特殊的分子結構和理化性質，已成為近年來國內外食品科學界研究的熱點，并被廣泛用于食品、醫(yī)藥、紡織和塑料等工業(yè)。分子質量是淀粉結構的重要參數之一，直接影響淀粉的黏度、流變特性、滲透壓、凝沉性和糊化性能等諸多性質，甚至影響淀粉的深加工及用途[2]。而目前測量淀粉相對分子質量常用的方法有黏度法、凝膠滲透色譜法(GPC)、光散射法等。黏度法是用烏氏黏度計測量其特性黏度值，根據特性黏度與相對分子質量之間的關系式計算其黏均相對分子質量，但該方法不能直接求出絕對平均分子質量，而是間接地通過經驗公式計算，所以黏度法測定的黏均分子質量存在較大誤差[3]。凝膠滲透色譜法(GPC)是常用的檢測高聚物相對分子質量大小的方法之一，但GPC法需要相同物質作為標樣，如用不同的標準品將有不同的結論，因此該法所給出的是相對分子質量的相對值，而且對于淀粉這類大分子物質，很難找到合適的標品。而激光光散射法則是測定高聚物重均分子質量的絕對方法[4]。其基本原理是在任何方向的光散射強度與分子質量和溶液的濃度成正比；散射光角度的變化與分子的尺寸大小有關。可以說GPC-MALLS聯用技術能快速、準確地測定出高分子在不同溫度下的重均分子質量、分子均方根旋轉半徑、構象指數[5-7]。因此，本實驗采用GPC-MALLS聯用法測定不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的分子質量分布及構象，以期從分子結構上說明不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的性質差別。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蠟質玉米淀粉 山西晉利實業(yè)集團有限公司；普通玉米淀粉 吉林黃龍食品工業(yè)有限公司；G50高直鏈玉米淀粉(直鏈/支鏈比為1:1)、G80高直鏈玉米淀粉(直鏈/支鏈比為4:1) 澳大利亞Penford公司。

二甲基亞砜(DMSO，色譜純) 天津市科密歐化學試劑有限公司；溴化鋰(分析純) 天津市福晨化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

GPC(配有Waters 1515 色譜泵，Waters 717 自動進樣器) 美國Waters公司；MALLS(配有Wyatt-DAWN HELEOS十八角度激光光散射儀，Wyatt-OPTILAB rEx示差檢測器和Astra V激光光散射數據采集及處理軟件) 美國懷雅特公司；BP 211D半微量分析天平 德國Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品預處理

分別稱取一定量的4種玉米淀粉，用添加LiBr (50mmol/L)的DMSO溶液分散，水浴5h后使樣品充分溶解[8]。樣品的質量濃度為0.5mg/mL。將充分溶解的樣品過5μm膜(Millipore Co.，USA)后轉移至樣品瓶中，之后置于自動進樣器的樣品盤中。

1.3.2 GPC條件

色譜柱：Styragel HMW 7 DMF，7.8mm×300mm(分離范圍為500000～100000000g/mol)；檢測波長為：658.0nm；流動相：選用色譜純的添加50mmol/L LiBr的DMSO[9](經過超聲過濾)；進樣量：100L；流速：0.7mL/min；溫度：25℃；dn/dc：0.074mL/g[10]。

1.3.3 數據處理

利用Astra V數據處理軟件對光散射數據進行采集和分析。不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子在DMSO溶液中的重均分子質量(Mw)、平均旋轉半徑(Rg)按照Zimm方程進行計算。數均分子質量(Mn)根據公式ΣiNiMi/ΣiNi(Mi表示長度i的分子質量；Ni表示具有i長度的分子數量)計算，由Astra V數據處理軟件計算得出。

2 結果與分析

2.1 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子質量分布比較

圖1 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子質量分布Fig.1 Molar mass distribution of corn starches with different amylose/ amylopectin ratios

圖1 顯示了4種樣品的分子質量大小和分子質量分布，可以看出蠟質玉米淀粉的分子質量分布范圍為2.6× 107～6.1×109g/mol，普通玉米淀粉分子質量分布范圍為5.0×106～9.3×108g/mol，G50高直鏈玉米淀粉的分子質量分布范圍為1.5×106～4.1×107g/mol，G80的分子質量分布范圍為5.2×105～1.4×107g/mol。

表1 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子質量參數Table 1 Molecular characteristics of corn starches with different amylose/amylopectin ratios

從表 1可以看出，蠟質玉米淀粉的重均分子質量和數均分子質量最大，其次分別是普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉。其中蠟質玉米淀粉的重均分子質量達到了1.416×108g/mol，數均分子質量達到了5.166×107g/mol。而G80高直鏈玉米淀粉的重均分子質量和數均分子質量分別是3.992×106g/mol、1.404 ×106g/mol。其原因是蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉和G80高直鏈玉米淀粉中的直鏈淀粉含量依次增加，支鏈淀粉含量依次下降，而支鏈淀粉比直鏈淀粉的分子質量大的多，故4種玉米淀粉的分子質量逐漸下降。淀粉的分子質量隨著支鏈淀粉含量的增多而變大。表中Mw/Mn是多分散指數，越接近于1，說明樣品的組分越單一，越大則說明樣品的組分越復雜，分子分布越寬。從表1可以看出，G80高直鏈玉米淀粉的分子分布最大，其次是蠟質玉米淀粉，G50高直鏈玉米淀粉最小。

Yang等[11]用激光光散射法以DMSO-H2O(體積比90:10)為流動相于室溫下測定蠟質玉米淀粉的分子質量和均方根旋轉半徑，結果分別為1.5×108g/mol、238nm，可以看出與本實驗的結果比較接近。Mua等[12]曾用90% DMSO與10%的水為流動相測定蠟質玉米淀粉的相對分子質量，結果為0.39×108g/mol，與本實驗所測得結果之間的差異可能是由淀粉產地不同引起的。

2.2 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉半徑的比較

圖2 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉半徑分布Fig.2 Distribution of mean square radius of gyration of corn starches with different amylose/amylopectin ratios

表2 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉半徑Table 2 Mean square radius of gyration of corn starches with different amylose/amylopectin ratios

從圖2可以看出，隨著洗脫時間的延長，不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的均方根旋轉半徑逐漸減小，說明其分子大小逐漸降低。由表 2可以得出，均方根旋轉半徑最大的是蠟質玉米淀粉，其次分別是普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉。這與其重均分子質量的大小順序一致。其中蠟質玉米淀粉的均方根旋轉半徑達到了252.8nm，最小的G80為80.9nm。原因是隨著直鏈淀粉含量依次增加，支鏈淀粉含量依次下降，而支鏈淀粉的分子粒徑比直鏈淀粉分子粒徑大，因此分子均方根旋轉半徑隨著直鏈/支鏈比的增大依次減小。Chung 等[13]以90% DMSO(添加50mmol/L LiBr)為流動相測定的蠟質玉米淀粉的均方根旋轉半徑為227.2nm，與表中的Rg相差不大。

2.3 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的分子形狀

通過lgRg對lgMw作圖，由其構象圖中直線的斜率即可獲知分子的形狀，4種不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子在DMSO溶液中的構象圖及直線斜率見圖3和表3。

圖3 不同直鏈/支鏈比玉米淀粉的lgRg與lgMw之間的關系Fig.3 lgRg-lgMwrelationships of corn starches with different amylose/ amylopectin ratios

表3 4種不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的lgRg對lgMw的斜率Table 3 Slopes of curves of lgRgvs. lgMwof corn starches with different amylose/amylopectin ratios

當斜率為1時，表示高分子在溶液中是棒狀排列，當斜率為0.4～0.6時則表示高分子在溶液中呈線性無規(guī)則線團，斜率約為0.33時則表示為球狀形態(tài)[14]。從圖3和表3可以看出，普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉在DMSO溶液中的構象均是球型。而蠟質玉米淀粉是無規(guī)則卷曲，而且是比較緊密的無規(guī)卷曲。Yang等[15]通過靜態(tài)光散射得出與直鏈淀粉相比，蠟質玉米淀粉的分子結構比較緊湊，像是一個膨脹的分支簇。而從圖2及表 2中的均方根旋轉半徑分布可以看出，蠟質玉米淀粉的均方根旋轉半徑最大，達到252.8nm，其次是普通玉米淀粉、G50高直鏈玉米淀粉、G80高直鏈玉米淀粉，它們的均方根旋轉半徑分別是116.7、93.8、80.9nm，說明G80高直鏈玉米淀粉最緊密，其次是G50高直鏈玉米淀粉，最后是普通玉米淀粉。隨著玉米淀粉直鏈/支鏈比的逐步增大，淀粉分子的均方根旋轉半徑依次減小，這從另一個角度也能反映出玉米淀粉分子在DMSO溶液中所處的狀態(tài)。

3 結 論

利用GPC-MALLS方法，分析了4種不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉的分子質量、分子均方根旋轉半徑及構象，結果表明隨著直鏈淀粉含量的增加，玉米淀粉的分子質量逐漸減小，分子的均方根旋轉半徑也隨之減小。蠟質玉米淀粉的構象是較緊密的無規(guī)卷曲，其他3種均為球型，致密程度依次是G80高直鏈玉米淀粉＞G50高直鏈玉米淀粉＞普通玉米淀粉。此結果可為從分子結構上闡釋不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉性質的差別提供依據。

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Molecular Mass and Conformation of Corn Starches with Ddifferent Amylose/Amylopectin Ratios

ZHANG Pan-feng，CHEN Ling，LI Xiao-xi*，LI Lin，LIU Guo-qin，SU Jian-yu
(College of Light Industry and Food Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The determination of molecular mass, molecular mass distribution, mean square radius of gyration and conformation using gel permeation chromatography coupled with multi-angle laser light scattering (GPC-MALLS) with refractive index detector with DMSO as the mobile phase was carried out for waxy, common, G50 (with 50% amylase content) and G80 (with 80% amylase content) corn starches. The results showed that the weight-average molecular masses (Mw) of waxy, normal, G50 and G80 corn starches were 1.416 × 108, 2.744 × 107, 1.026 × 107, 3.992 × 106g/mol, respectively. Similarly, higher-amylose corn starch had smaller mean square radius of gyration. The conformation of waxy corn starch was compact random coil and the three others were compact globular structure in DMSO.

corn starch；gel permeation chromatography；laser light scattering；molecular mass distribution；molecular conformation

TS231

A

1002-6630(2010)19-0157-04

2010-06-29

科技部農業(yè)科技成果轉化基金項目(2009GB23600523)；國家“863”計劃項目(2007AA10Z312)；中央高校基本科研業(yè)務費專項(2009ZZ0021)；中國博士后基金項目(20070420775)

張攀峰(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為糖類物質及其藥物的制備與生物利用。E-mail：zhangpanfeng0124@yahoo.com.cn

*通信作者：李曉璽(1977—)，男，副教授，博士，研究方向為糖類物質及其藥物的制備與生物利用。E-mail：xxlee@scut.edu.cn